淺析示波器校準儀方波信號的測量方法

張正嫻

（上海航天808所 201100）

方波是一種非正弦的波形，通常會用于電子信號處理。理想方波只有高和低兩個值，分別對應1和0兩個值，占空比是方波值1或者0占一個周期的時間比例，真實理想方波的占空比是50%——即高值和低值占的時間一樣。在以往的測量過程中，由于用數字多用表的交流電壓測量功能可以直接測得被測方波電壓的有效值，根據公式（1）則可以換算得到被測示波器校準儀輸出的方波峰峰值

但是，由于系統電路的限制，實際應用中不可能產生理想的占空比50%的方波，另外，方波在高低兩個值之間轉換時，理想方波值的轉變應是即時的，但是實際產生過程中會出現過阻尼和欠阻尼現象，也就是通常所說的高低電平轉換過程中的波形畸變，如果直接測量，運用理想狀態下的占空比進行換算測量的話，容易造成較大的測量誤差，從而使得測量結果超差，對量值的傳遞造成影響。

1 方波測量方法

1.1 測量方法

1.1.1 數字表直讀法

a） 用計數器分別測量出方波信號脈沖幅度50%處時間寬度tk和脈沖周期T，按公式（2）計算校準電壓的占空比θ

b） 按圖2連接儀器數字多用表置ACV測量功能，量程置合適位置，根據數字多用表的測量有效值讀數及公式（3）計算方波電壓誤差

圖2 方波電壓測量

θ —被測方波實際占空比

UR—數字多用表測量有效值

1.1.2 直流電平讀取法

按圖3連接儀器

圖3 方波電壓測量

示波器校準儀輸出頻率1kHz，脈沖寬度0.5ms的方波信號。數字多用表置直流采樣功能，量程置自動，示波器校準儀的外觸發輸出端連接到數字多用表的外觸發輸入端，數字多用表在外觸發信號的下降沿觸發后進行數模轉換，該轉換同時又可以由數字多用表的延時命令設置的時間決定而發生，表4羅列了改變被測方波電壓的頻率，數字多用表的相應各項功能設置

表1 3458A直流采樣設置

分別測量方波校準電壓的底部和頂部電壓值，讀取數字多用表測量結果，根據公式（4）計算方波校準電壓誤差

為了得到多次測量平均值，可以用數字多用表3458A的RMATH MEAN功能鍵,調用平均值計算，將計算結果作為最后的測量值。

1.2 測量結果

1.2.1 數字表直讀法

表2 數字表直讀法測量結果（輸入頻率1kHz）

1.2.2 直流電平讀取法

表3 直流電平讀取法測量結果（輸入頻率1kHz）

1.3 測量結果的不確定度評定

1.3.1 數字表直讀法

選取1V，1kHz典型點進行測量結果不確定度分析

不確定度來源：

a)A類不確定度分量：重復性測量，即測量值分散性引入的不確定

b)B類不確定度分量：主要考慮標準測量裝置數字多用表測量不準引入的不確定度 2u ，計數器測量占空比所引入的不確定度可忽略。

表4 示波器校準儀1V方波信號重復性數據表

b)數字多用表給出的相應量程的交流電壓指標可以從表2中獲得，得到準確度指標為±0.00027V，滿足均勻分布，取k=3

d)取k=2，則擴展不確定度U=2 uc=2×1.6×10-4V=3.2×10-4V

1.3.2 直流電平讀取法的不確定度計算

選取1V，1kHz典型點進行不確定度分析

不確定度來源：

a)A類不確定度分量：重復性測量，即測量值分散性引入的不確定度1u

b)B類不確定度分量：主要考慮標準測量裝置數字多用表測量不準引入的不確定度2u不確定度分量計算：

表5 示波器校準儀1V方波信號重復性數據表

2 測量結果及不確定度評定比較：

2.1 測量結果誤差比較

表6 兩種方法的測量結果誤差比較

2.2 測量結果不確定度比較

表7 兩種方法的測量結果測量結果不確定度比較

5 結束語

本文分別選用了兩種比較合理的測量方法，對示波器校準儀的方波信號進行了測量，并得出測量結果，分析比較了測量結果誤差與測量不確定度，克服了原先的方波測量方法中存在的不足，保證了脈沖領域方波參數量值的傳遞溯源的有效性，可以正確的對各類示波器的垂直靈敏度參數進行計量校準，同時，在分析兩種方法的過程中，也得出采取直流電平讀取法測量方波的準確高效性，在接下去的工作中，可以考慮使用自動化的測試方式，將示波器校準儀的方波測量做到一氣呵成，以節省測量時間，提高測量效率。

［1］ 郁月華、杜建國等 JJG278-2002示波器校準儀檢定規程

［2］ 梁駒 示波器校準儀方波電壓的檢定方法 航天標準化2005年第二期

［3］ 陳永利 示波器校準儀方波幅度測量結果的不確定度分析計量技術